成 果 简 介

应用场景

木材是全球应用最广的工程材料之一。森林担负着保护生态环境和提供木材资源两大功能，面临着全球森林资源逐渐减少所带来的生态和环保问题，如何有效地利用木材资源、提高木制品质量、降低能源消耗已引起世界各国的广泛关注。我国木材的需求量大于供给量，是一个森林资源不足的国家，如何更好地提高木材利用率，改善其使用性能，已成为摆在木材科学工作者面前的首要问题。

木材干燥是木材加工中的必备环节，是改善木材物理力学性能、合理使用木材、减少木材降等损失、提高木材利用率的重要技术措施，也是保证木制品质量的关键技术之一。从整体上看，木材干燥工业正呈持续、高速、稳定发展的态势，在合理利用世界森林资源，满足日益增长的需求方面发挥着重要作用。

研究木材干燥一般分为两个部分，一是研究木材内热质传递规律，而是研究实现干燥过程的自动检测与控制。而无论研究其中哪一部分，都需要首先建立各种数学模型，如热质传递与热质耦合传递模型，应力分布模型，干燥过程优化控制、模糊控制及智能控制模型等，这些模型可以应用神经网络、模糊控制、支持向量机等先进理论进行建立。但是由于木材是多孔性渗水和吸湿的物质，水分以多种形式存在于木材中，而且其结合能力相差很大。因而木材干燥过程是一个复杂的非线性过程，在干燥过程中存在着外界的干扰和模型的不确定性，这使得建立理想的、符合实际的木材干燥模型变得比较困难。因此，建立有效的干燥模型就成为木材干燥的重要研究内容之一，也是提高干燥质量，减少能量消耗，缩短干燥时间和实现干燥全自动控制的先决条件。

温度和湿度随干燥过程的变化构成了木材的干燥基准，是木材干燥工艺的重要内容之一。为了提高干燥质量，必须有效地控制干燥介质的温度和湿度，采用合理的干燥方法和操作工艺。关于温度和湿度对干燥速度和干燥质量的影响，国内外已有较深入的研究。对干燥一定树种的木材来说，当其它影响干燥的因素（如空气温度、湿度、板材厚度）相对不变时，循环风速就成为木材干燥的一个重要因子。所以正确选用循环风速，不仅对干燥质量和干燥速度有较大影响，而且可以节省能源。

干燥窑系统是一个复杂的物理系统，包含许多非线性动态过程，这些特点就决定了研究干燥窑内部环境的困难性，而目前的方法不能从根本上解决此问题。在干燥窑环境建模中引入计算流体力学(CFD)方法，可用计算机来模拟干燥窑内的速度场、温度场和湿度场等，建立起干燥窑内循环风速的运动模型，进行木材干燥窑内气流运动规律的研究。因此，可以利用先进的CFD技术对干燥窑内部的流场进行数值模拟，获得干燥窑内部流场的详细信息，借以指导干燥窑生产管理和结构设计，提高我国节能干燥窑的科技水平。

主要解决的问题

本项目首次将计算流体力学方法（CFD）应用于木材干燥窑的建模及仿真模拟研究中，但在实际中计算流体力学方法不仅可以用于木材干燥窑内风速场的应用研究，亦可以用于干燥窑内温度场、湿度场、压力场及速度场等的模拟仿真研究。在用计算流体力学方法完成木材干燥窑内风速场的应用研究后，我们将根据研究后得到的相关方法和理论基础，继续用此方法进行干燥窑内温度场、湿度场、压力场及速度场等的模拟仿真研究，这可以为更合理地设计干燥装置、提高干燥控制技术提供参考，从而进一步提高我国节能干燥窑的科技水平。

技术要点

本项目主要是针对影响木材干燥速率的三大外部因素之一的风速场进行研究，通过计算流体力学技术，建立起四种干燥窑(方形干燥窑、圆弧形干燥窑、装有弧形导流板的方形干燥窑和装有弧形导流板的圆弧形干燥窑)内部流场的二维和三维模型，并实现CFD模拟。根据得到的模拟结果，给出不同类型干燥窑内部的气流运动规律，提出木材干燥窑的设计准则，制备出缩比的木材干燥窑进行干燥实验，对模拟结果进行验证，同时对木材干燥窑的设计准则进行修正。具体来说，主要的研究内容有以下几点：

（1）建立起四种干燥窑(方形干燥窑、圆弧形干燥窑、装有弧形导流板的方形干燥窑和装有弧形导流板的圆弧形干燥窑)内部流场的二维和三维模型。

（2）依据干燥窑内部流场的二维和三维模型，进行CFD模拟，得到干燥窑内部的气流运动规律。

（3）根据干燥窑内部的气流运动规律，提出木材干燥窑的设计准则，并根据设计准则制备出实验用的缩比木材干燥窑，进行验证实验，并根据最终的实验结果对干燥窑的设计准则进行修正。

应用成效

在干燥窑的建模中引入计算流体力学(CFD)，用计算机来模拟干燥窑内的温度场和湿度场，利用先进的CFD技术进行木材干燥窑内气流运动规律的研究，构建干燥窑循环风速的运动模型，通过对木材干燥窑的CFD模拟，得到干燥窑内部流场的详细信息，然后用其来指导木材干燥窑的结构设计。该研究可以提高我国木材干燥窑的设计水平，促进木材干燥技术的发展，同时对于保护我省有限的森林资源以及提高木材的利用率都有重要的意义，也能够带来巨大的经济效益。

适用范围

适用于木材干燥窑生产企业进行干燥窑的优化设计。

联 系 人：孟庆焕

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